闭孔泡沫铝夹层结构耐撞性研究（六十）

总结与展望

泡沫铝夹层结构由于质量轻、强度和刚度较高、吸能特性较好等特点，在航空航天、船舶、轨道交通和汽车制造等领域有着广泛的应用。考虑到汽车在服役期间，其结构件主要受到的三种典型工况(即三点弯曲、面内压缩和低速冲击)的冲击碰撞，本文主要通过实验的方法研究了泡沫铝夹层结构在这三种典型工况下的变形模式、失效机理和耐撞性能。

(1)在准静态三点弯曲工况中，主要用实验的方法研究了不同面板材料及不同尺寸参数的泡沫铝夹层结构的失效模式、变形机理以及耐撞性能的比较，同时用数值模拟的方法比较了铝合金夹层结构的两种临界失效模式的应力分布特点。在弯曲工况下，泡沫铝夹层结构的临界失效模式主要有三种，分别为压痕压入(IN)、芯层剪切(CS)和界面分离(DB)，试件面板较薄，泡沫芯层较厚的情况下，泡沫铝夹层结构更容易趋向于压痕压入失效(IN)；泡沫密度越高，泡沫芯层厚度较薄，试件更容易趋向于界面分离(DB)；其特定位置的耦合失效模式是临界失效模式演变的失效模式组合。在三种不同面板厚度的夹层结构中，临界载荷随面板厚度的增加呈现正增长趋势，而吸能和比吸能的变化趋势需要视面板的材料而定。在同一厚度不同面板材料的夹层结构比较中，耐撞性能最佳者需要视面板的厚度而定。此外，铝合金夹层结构的临界载荷、总吸能以及比吸能随芯层高度的增加而增加，而对其芯层密度而言，只有临界载荷与芯层密度呈正增长趋势。最后还发现，在选择同等芯层质量的夹层结构时，增加铝合金夹层结构的芯层高度比增大芯层密度更能提高其在弯曲工况下的耐撞性能。

(2)对面内压缩工况而言，用实验的方法研究了面板材料以及几何参数对泡沫铝夹层结构响应机理、失效模式和耐撞性能的影响。铝合金夹层结构最初的失效破坏形式以面板屈曲变形并伴随着胶层失效为主，其载荷-位移曲线基本可以分为三个阶段；而纤维增强夹层结构最初的失效破坏形式以面板的脆性断裂为主，其载荷-位移曲线基本可以分为两个阶段。无论是铝合金夹层结构还是纤维增强夹层结构，夹层结构面板厚度的增加均能明显提高其耐撞性能。在三种不同面板材料的泡沫铝夹层结构中(面板厚度相同)，铝合金夹层结构有最好的耐撞性能，玻璃纤维夹层结构有最差的耐撞性能。对芯层密度而言，铝合金夹层结构在低密度芯层到中密度芯层变化时，其耐撞性能明显提高，而当芯层密度过大时，夹层结构的耐撞性能的改善明显降低。对芯层高度而言，铝合金夹层结构在小厚度芯层到中厚度芯层变化时，其耐撞性能明显提高，而当芯层高度过大时，夹层结构的吸能改善明显降低，而比吸能反而降低。

(3)在低速冲击实验中，主要研究了面板材料以及几何参数对泡沫铝夹层结构响应机理和耐撞性能的影响。铝合金夹层结构的失效机理可以分为两类，两者的相同之处是均因上下面板的断裂出现峰值载荷下降，差异在于下面板与芯层之间胶层是否出现失效；纤维增强夹层结构失效机理与铝合金夹层结构不出现胶层失效的那种失效过程类似，区别之处在于前者的面板以脆性破坏为主，后者以塑性变形破坏为主。对面板厚度而言，泡沫铝夹层结构的耐冲击性能随面板厚度的增加而变强。在不同面板材料的夹层结构比较中(面板厚度相同)，铝合金夹层结构有最好的耐撞性能，玻璃纤维夹层结构的耐撞性能其次，而碳纤维夹层结构的耐

撞性能在三者几乎是最差的。对芯层而言，铝合金夹层结构的耐冲击性能随芯层密度的增加而显著提升，而随其芯层高度的增加而提升不明显，因此，在增加相同芯层质量的前提下增大夹层结构泡沫芯层的密度比增加泡沫芯层的高度更能改善其耐冲击性能。

本文主要通过实验的方法研究了泡沫铝夹层结构在三点弯曲、面内压缩和低速冲击三种工况下的力学性能。由于笔者时间与水平有限，所以对泡沫铝夹层结构的研究只是冰山一角，未能对这方面的工作做出一个系统全面的探究，比如说考虑环境因素的影响，此外，理论预测和数值模拟方面的工作鲜有涉及，所以本文还可以从以下几个方面进一步拓展：

(1)首先，随着泡沫铝夹层结构在汽车等交通运输工具上的广泛使用，全球各地温度差的对其结构性能的影响也不容忽视，尤其是对本文涉及的胶粘剂泡沫铝夹层结构而言，因此探究不同温度及温度变化对泡沫铝夹层结构在各工况中力学响应及耐撞性能的影响是非常有必要的。

(2)其次，可以从理论分析的角度，研究夹层结构在各工况下的结构极限强度以及总吸能的计算公式或经验公式对今后的学科研究或工程应用都很有参考价值。

(3)最后，由于有限元仿真的研究成本低，且可以探究到结构在失效过程中的细节更加清晰更加具体，因此可以从数值计算的角度，把泡沫铝夹层结构中芯层泡沫铝以及胶层界面的失效考虑在材料本构中，研究结构的失效机理、各部分吸能特性以及材料及尺寸参数对其耐撞性能的影响。